基于足過度旋前康復的交互式游戲系統設計

關鍵詞：足過度旋前;肌肉訓練;訓練評估

0 引言（Introduction）

足過度旋前是指患者的足部在一個步態周期中旋前超過25%，它是對異常足部軟組織或骨性結構的代償[1]。足部長期處于異常姿勢，會改變人體的正常步態，導致膝關節、髖關節、脊柱、肩關節、頸椎產生代償性損傷[2]。目前針對足過度旋前的保守治療方法包括佩戴足矯形器、穿戴具有運動控制作用的鞋、進行肌肉訓練和采用貼扎技術等[3]。其中，肌肉訓練對足過度旋前的臨床效果是目前研究的熱點。陳雪梅等[4]對研究對象進行肌肉平衡訓練，發現經過肌力平衡矯正訓練患者的足外旋和內旋等問題得到不同程度的改善。楊兵等[5]對研究對象進行肌肉訓練，發現隨著研究對象的旋后肌力量增大，足跟接觸地面時足底后傾增大，而隨著脛骨前肌力增大，研究對象行走時與地面的反作用力增大，使足旋前癥狀得到改善。TADDEI等[6]將研究對象分為干預組和對照組，干預組接受針對足核心肌群和關節肌肉的訓練，對照組僅進行相同時間的牽伸，研究發現干預組的足部力量和足部姿勢相比對照組，得分更高，跑步相關損傷降低了58.68%。

上述研究表明，傳統的肌肉訓練可以有效改善足過度旋前問題，但目前肌肉訓練過程一般需要在醫生的指導和監督下進行，訓練環境單調，動作單一枯燥，患者很難長期堅持。因此，本文擬根據臨床動作范式，設計一款用于足過度旋前患者訓練動作的系統，實現交互式游戲訓練，幫助患者進行肌力訓練，設置虛擬場景，提高訓練過程的趣味性。此外，系統設置了評估模塊，確保訓練的精準性和訓練效果。

1 總體設計思路（Overall design ideas）

基于足過度旋前康復的交互式游戲系統由Kinect體感設備（由微軟公司開發的一款姿態傳感輸入設備）和康復訓練軟件系統兩個部分組成。Kinect體感設備配備深度攝像頭和彩色攝像頭，通過采集圖像數據，結合Exemplar算法實現對人體骨骼關節點進行追蹤。足過度旋前康復的交互式游戲系統設計結構如圖1所示。軟件訓練系統利用Unity開發平臺設計游戲場景，完成游戲邏輯，系統獲取Kinect計算的骨骼數據，將骨骼數據映射到虛擬游戲人物模型中，完成游戲任務;計算靜態姿勢下骨骼關節點在冠狀面、矢狀面和水平面的角度，對比訓練前后骨骼關節點角度變化，為醫生診斷評估提供參考依據。

2 系統軟件設計（System software design）

肌肉訓練作為足過度旋前的治療手段之一，其有效性在臨床中已得到驗證[7]。本文根據肌肉訓練原理，采用雙腿微蹲站立、雙腿交替高抬腿以及持續微蹲三個康復訓練動作，增加患者腿部肌肉力量，提高其膝關節和踝關節的穩定性，從而改善足過度旋前程度[8]。通過上述三個康復訓練動作為足過度旋前患者設計了一種交互式游戲康復系統，其軟件系統包括兩大模塊：游戲訓練模塊和訓練評估模塊，系統模塊界面圖如圖2所示。游戲設計模塊使用Unity3D 游戲開發引擎，利用Autodesk 3Ds Max軟件制作游戲模型。將虛擬現實技術與Kinect設備相結合，提高人機交互的友好性。評估模塊又分為兩個部分：一是對患者的游戲訓練數據進行評估;二是通過靜態姿勢獲取骨骼關節點，并進行角度與位置的計算與分析，為醫生對患者訓練前后效果評估提供參考依據。

2.1 游戲訓練模塊

2.1.1 游戲場景設計

為了將康復動作融入游戲中，基于臨床中肌肉訓練動作與滑雪動作類似，系統將滑雪場景設定為主題場景。游戲任務設為用戶滑雪通過障礙物，因此游戲場景元素以雪山為主。利用Unity軟件中的地形系統設計雪山地形，并添加各類相關的材質。為了使游戲場景更加逼真，游戲中加入了樹木、房子等模型，效果如圖3（a）所示。滑雪跑道由Autodesk 3Ds Max軟件設計制作，跑道上設置與滑雪動作相符的人形障礙物，兩端添加欄桿，跑道效果如圖3（b）所示。跑道設置碰撞器和觸發器，如圖3（c）所示的線條，用于檢測人物運動到指定點時設置碰撞與觸發事件。以三段跑道為一組，如圖3（d）所示，分別在每段跑道中間添加一個觸發器，通過腳本設置無限跑道生成。腳本邏輯是游戲人物從1號跑道位置開始滑行，當模型觸發2號跑道的觸發器，1號跑道自動轉移到3號跑道后的跑道位置，以此類推，即當觸發3號跑道的觸發器后，2號跑道會轉移到1號跑道后的跑道位置。因此，在游戲視角中的跑道是無限延長的。無限跑道的設置便于用戶在游戲規定時間內盡可能多地完成通過障礙物的任務，并減少游戲計算量，從而優化程序性能。

2.1.2 游戲模型映射

在游戲場景中，系統將患者實際姿勢映射到虛擬游戲人物模型中完成游戲任務，幫助患者進行肌肉訓練。模型映射是指將Kinect體感設備識別到的患者關鍵骨骼點映射到虛擬游戲人物模型的相應骨骼點中。當Kinect體感設備捕捉到患者骨骼點的位置發生變化時，將帶動虛擬游戲人物模型相應骨骼點位置發生位移或旋轉，從而實現動作復刻。虛擬游戲人物模型實現動作復刻，需要映射人體軀干的主要關節。

本系統中模型映射關節包括頭部、頸部、骨盆、肩關節、肘關節、腕關節、手指、脊柱中心、脊柱下部、髖關節、膝關節、踝關節、腳趾。游戲人物模型由Autodesk 3Ds Max軟件設計制作，通過建模布線制作人物模型，并將人物模型進行蒙皮，將模型人物骨架（Biped）中的骨骼調整到模型中，通過“編輯封套”與設置權重即可為模型綁定骨骼，綁定骨骼效果圖如圖4（a）所示。將模型以.fbx格式導入Unity3D軟件中。Unity引擎具有豐富且復雜的動畫系統，其中Humanoid是人形動畫，可以實現人形動畫重定向功能，結合Unity引擎內置，實現模型動畫的關鍵枚舉類型HumanBodyBones和Kinect設備與人物模型的實時映射[9]。將模型的Animation Type 設置為Humanoid后，查看Avatar骨骼映射并設置骨骼位置，配置Avatar效果圖如圖4（b）所示。系統提供直觀配置骨骼映射方式，即通過配置Avatar骨骼運動與Biped骨骼對應關系，如圖4（c）所示，精準配置Biped骨骼與Avatar骨骼對應。模型準備結束后給Camera添加KinectManager腳本并設置腳本屬性，給游戲人物模型添加AvatarController腳本，將Kinect體感設備采集到的骨骼點與Avatar骨骼點對應。Kinect體感設備在傳輸新的數據后，HumanBodyBones更新人物模型對應關節和角度信息，實現將患者實際姿勢映射到虛擬游戲人物模型中。

2.1.3 肌肉訓練虛擬交互動作設計

造成足過度旋前的原因包括腿部肌肉失常和足底肌肉失常。其中，腿部肌肉問題包括脛骨前肌、脛骨后肌無力，腓骨肌群過度活躍，股二頭肌過度緊張以及臀中肌、臀大肌不夠活躍等[10]。足底肌肉問題包括足底屈肌無力、足部緩沖功能缺失等，會導致足底屈跖肌和筋膜組織因承受牽拉力量太大而易受傷[11]。

因此，針對足過度旋前的治療主要有鍛煉腿部肌肉和鍛煉足底肌肉兩大方向。采用雙腿微蹲站立、雙腿交替高抬腿以及持續微蹲三個腿部肌肉康復動作鍛煉腿部肌肉，實現對于足過度旋前的康復訓練[12]。其中，雙腿微蹲站立要求患者保持上身挺直，視線看向正前方，雙腳分開略寬于肩，下蹲時不可過快、過猛，先屈髖再屈膝，膝蓋前部不超過腳尖，重心盡量靠后，雙腳緊貼地面，蹲至大腿平行于地面[13]，股四頭肌、腘繩肌和內收肌呈緊繃狀態，此時緩慢起身，髖部向上發力，臀中肌和臀大肌活躍。雙腿交替高抬腿要求患者保持身體挺直，重心穩定，抬一側腿至大腿與地面大約平行，腳尖勾起，抬起腿落地的同時，支撐腿用力蹬地抬起，其過程用來刺激髖部肌群、小腿三頭肌、臀肌及踝部肌群等[14]。持續微蹲要求患者雙腳平行站立與肩同寬，腳尖朝前，雙腿伸直，臀部收緊，雙臂自然下垂，屈膝屈髖下蹲，直至大腿與地面平行，緩慢起身，與雙腿微蹲站立相比，保持下蹲動作時間較長，臀大肌、股四頭肌、腘繩肌和內收肌緊繃時間更長，有利于鍛煉臀部和腿部肌肉力量，增強下肢穩定性[15]。

根據以上三個訓練動作，將游戲分為三個關卡，每個關卡中設置相應的障礙物，提示并幫助患者完成康復訓練動作，關卡設置障礙物的詳細信息如表1所示。由于雙腿微蹲站立與持續微蹲動作相似，若將兩個關卡設置成前后相連的順序會導致股四頭肌、腘繩肌和內收肌持續緊繃，容易導致受傷。對以上兩個動作進行排序時，考慮運動鍛煉需循序漸進，持續微蹲動作對肌肉要求更高，因此選擇雙腿微蹲站立為第一關卡，并在兩個關卡中間用雙腿交替高抬腿關卡隔開，將運動肌群從大腿肌群分散部分到小腿與踝部肌群，降低患者受傷風險。

患者在完成每個關卡任務后，自動進入下一關卡，每個關卡中的障礙物設有碰撞器和觸發器，通過編寫腳本中的OnTriggerEnter （Collider collider）和OnCollisionEnter （Collisioncollision）函數，系統可以檢測用戶是否順利通過障礙物或是否觸碰障礙物。每個關卡結束后，系統自動將通過與觸碰障礙物的數量以及分數分別存入數據庫中，為訓練評估提供依據。

2.2 評估模塊

2.2.1 游戲訓練評估

患者游戲訓練結束后，系統會將患者訓練結果記錄到數據庫中，并顯示在游戲訓練評估界面，評估圖如圖5（a）所示。其中，系統默認設定每個游戲基本訓練時長為30 s，若患者的訓練總時長少于90 s，則說明患者沒有完成全部游戲訓練。結合游戲障礙物設置，與游戲人物滑行速度調節情況，經測試站立蹲起數量一般為10～25個，單腿站立數量一般為10～15組，持續微蹲動作數量一般為3～5組。根據碰撞次數可推斷患者訓練中出現不標準動作的次數。醫生根據上述動作數量范圍，針對患者的訓練結果做出大致判斷，結合靜態姿勢評估結果[圖5（b）]，為患者的動作訓練制訂新的計劃，如增加某一關卡訓練時間或減少某一關卡障礙物數量等。

2.2.2 靜態姿勢評估

對患者進行評估是個體精準康復訓練的基礎，臨床上對足過度旋前的評估多用舟骨下降高度測試足部姿勢指數，其評定過程通常基于醫生經驗。但是，足過度旋前會影響脛骨、膝關節、股骨、脊柱的力線，引起脛骨過度內旋，造成膝關節與踝關節在冠狀面、矢狀面和水平面的角度變化。Kinect體感設備測量軀干和下肢關節角度的有效性已得到驗證[16]。

本系統通過靜態姿勢計算患者關節角度，要求Kinect體感設備放置于距地面0.8 m、距患者2 m的位置，患者保持身體直立，面向前方，雙足并攏，足尖向前，雙上肢自然下垂于軀干兩側。通過Kinect for Windows SDK提供的骨骼追蹤功能，獲取骨骼位置。本系統計算使用左右髖關節、膝關節、踝關節和腳部共8個關節點的數據，其坐標系設置為以Kinect體感傳感器為原點，Z 軸垂直于Kinect正面;Y 軸垂直于Kinect底部;X軸與Kinect前表面平行。Kinect體感設備可以以30幀/s的速度捕捉目標人體25個骨骼關節的3D坐標，本系統設定采樣時間為3 s，通過計算上述8個關節點的平均值得到關節點的三維坐標，計算結果的評估界面如圖5（b）所示。

得到骨骼關節點位置數據之后，可以通過計算關節點之間的向量坐標，運用空間向量法計算關節點向量角度，計算公式如下：

以左側關節角度計算為例，如圖6所示，基于左側髖關節（點A）、左側膝關節（點B）、左側踝關節（點C）以及左側腳部（點D），從冠狀面、矢狀面和水平面分別計算左膝關節和左踝關節的角度。以左膝關節B 點為基本點，連接髖關節A 點，方向指向髖關節得到向量BA，連接踝關節C 點，方向指向踝關節得到向量BC，代入公式（1）計算 ∠ABC。以左踝關節C 點為基本點，連接膝關節B 點，方向指向膝關節關節得到向量CB，連接腳部D 點，方向指向腳部得到向量CD，代入公式（1）計算∠BCD。其中各平面關節向量計算過程如表2所示。

隨著脛骨內旋角度變大，跟骨外翻角度與踝關節內翻角度會相應變大，進一步引起相關肌肉韌帶損傷，最終導致足痛、膝痛等慢性疼痛的發生。一般足過度旋前評估由醫生結合足姿指數（Foot Posture Index， FPI）量表[17]中的觸診和視覺評估對患者進行測試評分，但容易受主觀因素和外界條件的影響。本系統通過計算左右側膝關節和踝關節在直立時的角度，對比患者在訓練前后膝關節內旋角度與踝關節內翻角度變化情況，從而評估患者在訓練前后的足旋前程度是否發生變化，為醫生診斷評估提供參考依據。

3 游戲測試（Game testing）

系統的主要功能模塊通過實驗進行測試，實驗中，測試者根據軟件提示進行相應的動作訓練。實驗者在第一關中按提示微蹲通過深色障礙物，站立通過淺色障礙物，完成時間為30 s，完成10組動作;在第二關中按提示抬起右腳通過淺色障礙物，抬起左腳通過深色障礙物，完成時間為30 s，完成8組動作;在第三關中按提示持續微蹲通過障礙物，完成時間為30 s，完成4組動作。游戲測試圖如圖7所示，實驗者實現了三組動作的訓練，分別完成游戲任務。通過每個游戲關卡后，實驗者立即根據自感疲勞進行疲勞程度主觀評價，得出自感疲勞等級（Rating of Perceived Exertion， RPE） [18]，實驗結果如表3所示。表3中，將腿部分為4大區域肌肉群，疲勞等級由數字表示，其中等級1表示不累，2表示較不累，3表示一般累，4表示較累，5表示很累。

實驗結果表明：在關卡1中，實驗者感覺大腿前側與大腿后側較累，說明關卡1的訓練對大腿的股二頭肌群與內收肌等鍛煉作用明顯;在關卡2中，實驗者感覺大腿后側與小腿后側較累，說明關卡2的訓練對腓腸肌內側與外側等鍛煉作用明顯，大腿后側股二頭肌群保持活躍狀態;在關卡3中，實驗者的大腿與小腿的疲勞程度都較高，說明關卡3的訓練強度較大，對大腿股外側肌、股直肌等肌群、股二頭肌群與小腿腓腸肌群等鍛煉作用較大。

4 結論（Conclusion）

臨床實驗初步表明，系統將三種針對足過度旋前康復訓練動作融入游戲任務中，幫助患者取得了較好的訓練效果。游戲使用Kinect體感設備，可以實時獲取患者姿勢并映射到虛擬游戲人物中，使患者可以通過康復動作訓練完成游戲任務，獲取積分。游戲虛擬場景可以讓患者沉浸于游戲中，提高訓練樂趣。在評估模塊中，本系統通過獲取Kinect體感設備識別的骨骼點位置，分別計算左右膝關節、踝關節在冠狀面、矢狀面和水平面的角度，通過對比訓練前后角度變化，為醫生診斷評估提供參考依據。系統總體上達到了設計要求，但對下肢缺少足部肌肉訓練方式，在評估方面缺少足部姿勢等數據，因此完善設計足部肌肉訓練的游戲并結合足姿評估，可以進一步完善訓練與評估系統的功能。